笔记百科太阳能电池原理
太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。
在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，缩写为PV），简称光伏。
太阳能电池以光电效应工作的晶硅太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的薄膜太阳能电池则还处于萌芽阶段。
它的原理是什么呢？今天就来和大家简单地讲一讲现在最常见的晶硅太阳能电池的发电原理。
§§
首先，先介绍一下晶硅太阳能电池的原料：硅。
这些黑乎乎还有点金属光泽的东西就是通过一些化学方法初步制得的多晶硅了。
硅是半导体材料，也就是说它的导电性介于导体和绝缘体之间。与金属不同，硅的载流子除了电子之外，还有一种叫空穴的东西。
什么是空穴呢？我们看一张图：
硅的原子最外层有四个电子，如果有电子从外界获得一定的能量，会摆脱束缚，成为自由电子，而原先那个电子存在的位置就成了一个空位，这个空位就是空穴了。
大家都知道，电子是带负电的，那么空穴就相当于是一个带正电的载流子了。如果硅的纯度是100%的话，电子和空穴的数量是一样的。
然而，当硅晶体中掺入硼原子（+3价）时（如下图，黄色的表示掺入的硼原子），因为硼原子周围只有三个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P型半导体。
硅晶体中掺入磷原子（+5价）以后（如下图，黄色代表掺入的磷原子，红色代表多出来的电子），因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N型半导体。
将一块P型半导体和N型半导体紧密连接在一起，这种紧密连接不能有缝隙，是一种原子半径尺度上的紧密连接（实际生产过程中多为在P型硅的一个表面掺杂磷，单面扩散制得N型硅）。
由于P型硅中自由空穴多，而N型硅中自由电子多，由于浓度差的关系，P型硅中的空穴会向N型硅中扩散，而N型硅中的电子也会向P型硅中扩散。
这样，在P、N型硅交界的区域，就会形成一个电场，我们叫它内建电场。随着扩散的进行，电场强度越来越大，而电场又会把空穴往P型硅的方向推。最终电场力和浓度差形成一个平衡，这样就得到了一个稳定的PN结。
现在到了最重要的部分了：PN结是怎么发电的呢？
硅作为半导体，还有一个重要性质：当有光照的时候，硅外层的电子会从光中得到能量，从而成为自由电子，并在原来的位置留下一个空穴，形成电子空穴对。
因为电池材料的不断吸收导致入射光强不断减小，因此沿着入射方向，电池片内部电子-空穴对的密度逐渐减小，在浓度差的作用下电子-空穴对向着电池片内部做扩散运动。
当电子-空穴对扩散达到PN结界限时，会在内建电场的作用下被拆分，空穴、电子受力从而被推向P区和N区。
如果此时电路正处于开路的状态，那么这些光生电子和空穴就会分别集聚在P区和N 区周围，P区便会得到附加正电荷，同理N区便会得到附加负电荷，P区与N区累积的正负电荷就会在PN结上产生光生电动势。
若此时接通太阳能电池片的正负极就会形成电流，PN结的内部就会形成由N区指向P区的光生电流。
§§对于太阳能电池来说最重要的参数是转换效率，即：电池组件受照射时，输出电功率与入射光功率之比。
在实验室所研发的硅基太阳能电池中，单晶硅太阳电池的效率为25.0%，多晶硅太阳电池的效率为20.4%，单晶体硅薄膜太阳电池的效率为16.7%，非晶硅薄膜太阳电池的效率为10.1%。
太阳能电板的效率为何不高，有这么多的能量损失呢？
光可分为不同波长，我们可以通过彩虹看出这一点。
由于射到电池的光的光子能量范围很广，有些光子没有足够的能量来形成电子空穴对，它们只是穿过电池，就像电池是透明的一样。
但有一些光子的能量却很强，如果光子的能量比所需的能量多，则多余的能量也会损失掉。这两种情况就会造成电池中70%左右的辐射能损失。
只有达到一定的能量——单位为电子伏特（eV），由电池材料（对于晶体硅，约为1.1eV）决定——才能使电子逸出。我们将这个能量值称为材料的带隙能量。
为何我们不选择一种带隙很低的材料，以便利用更多的光子？
遗憾的是，带隙还决定了电场强度（电压），如果带隙过低，那么在增大电流（通过吸收更多电子）的同时，也会损失一定的电压。
请记住，功率是电压和电流的乘积，最优带隙能量必须能平衡这两种效应。对于由单一材料制成的电池，合适的带隙能量值约为1.4电子伏特。
硅是一种有光泽的材料，这意味着它的反射性能很好，被反射的光子不能被电池利用。出于这个原因，在电池顶部采用抗反射涂层，可将反射损失降低到5%以下。
电子必须通过外部电路从电池的一侧流到另一侧。我们可以在电池底部镀上一层金属，以保证良好的导电性。
但如果我们将电池顶部完全镀上金属，光子将无法穿过不透光导体，这样就会丧失所有电流（在某些电池中，只有上表面而非所有位置使用了透明导体）。
如果我们只在电池的两侧设置触点，则电子需要经过很长一段距离（对于电子而言）才能抵达接触点。
要知道，硅是半导体，它传输电流的性能没有金属那么好。它的内部电阻（称为串联电阻）相当高，而高电阻意味着高损耗。
为了最大限度地降低这些损耗，电池上覆有金属接触网，它可缩短电子移动的距离，同时只覆盖电池表面的一小部分。即使是这样，有些光子也会被网格阻止，网格不能太小，否则它自身的电阻就会过高。
以上就是太阳能电池的发电原理，还是挺简单的，但是在生产过程中为了提高电池效率还有许多别的工艺要做，如果大家对其余的工艺有兴趣，或者有疑问，亦或者是有什么别的想知道的零件原理，都可以在评论区里留言。
延伸阅读，点击下方标题直达：
● 电风扇启动不转，只是嗡嗡响，哪里出了问题？
● 难道你不好奇零件上那些MARK是什么意思？—–电容篇『收藏备用』
● 科普 | 发光二极管LED的工作原理
● 原理介绍 | 电源适配器(1)—–线性电源适配器
● 4K UHD超高清电视是什么意思？
↓↓↓ 点击”阅读原文” 【查看更多精彩内容】
